基于微降水雷达研究济南地区降水微物理参数

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山东省属于农业大省,自然灾害频繁,分析降水微物理过程的特征,提高降水预报能力,将对山东农业和社会经济的发展起到一定作用。雨滴谱是描述降水微物理过程的基本参数,充分认识雨滴谱的演变规律对云中成雨机制的研究、人工影响天气作业指挥、雷达定量测量降水有重要意义。微降水雷达(Micro RainRadar,简称MRR)可以提供雨滴谱的垂直廓线分布,本研究基于山东省MRR的观测资料,深入分析了山东省降水的微物理特征的演变,具体研究成果涵盖以下三个方面:  (1)首次在山东省利用微降水雷达研究了雨强、雷达反射率因子、雨滴谱等参数的演变。选取2015年2月15日00:00~05:50(UTC)一次层状云降水个例,分析了降水微物理参数随时间和空间的演变特征,提出了基于MRR的零度层亮带识别方法以及零度层亮带高度以上粒子相态的识别方法。  在整个降雨过程中,300 m高度上雨强值小于2mmh-1,因此由垂直气流引起的反演误差可以忽略。MRR观测的零度层亮带顶部的高度与L波段探空观测到的0℃层高度有很好的吻合。零度层亮带高度以下,0.8~1.5 mm直径大小的降水粒子数浓度没有大幅度的变化。粒子下落速度的最大值和下落速度梯度的最大值出现在零度层亮带的底部。提出利用下落速度梯度和雷达反射率因子来判断零度层亮带的高度和厚度的方法,利用该方法可以实时监测0℃层的高度。提出零度层亮带以上,用粒子下落速度来识别粒子相态:在此次降水过程的前20 min,零度层亮带以上,霰粒子丰富。2000m高度上,在降水过程的前250min,霰粒子占主导地位。150 min后,霰和附冻滴冰晶共存。  (2)利用数值模拟的方法,讨论了利用微降水雷达MRR雷达功率谱密度反演降水参数时,MIE散射(米散射)效应、垂直气流(包括上升气流、下沉气流)对数浓度N、雷达反射率Z、雨强I、液态含水量LWC等参数的影响。  MIE散射主要影响直径为1.20~4.00 mm的粒子,MIE散射效应影响的N、Z、I、LWC偏差的平均值分别为2.74 m-3 mm-1、1.47 dBZ、0.0061 mm h-1、0.0004 gm-3。下沉气流使反演液滴直径偏大,上升气流使得反演的液滴直径偏小,下沉气流的影响更大,尤其是对低层影响大于高层。例如,在300 m高度上,当液滴直径为2.67 mm时,下沉气流为2.00 m s-1时,理论上反演的直径为8.07 mm,超出了MRR探测的阈值,其相对误差值能接近200%。下沉气流使得反射率谱向大粒子方向平移,且谱型展宽;上升气流则相反。  将MRR资料与同步观测的THIES雨滴谱仪数据进行比对,分析MRR资料的可靠性。选取2015年4月1日01~12时(协调世界时)山东济南的一次降水过程,将MRR在300 m高度上反演的雷达反射率因子、雨强、数浓度、中值体积直径与雨滴谱仪资料进行对比。结果表明:两种仪器探测的Z、I、N、中值体积直径D0在时间序列上都有较好的吻合度,变化趋势和幅度相近,Z、I、D0的平均偏差分别为1.19 dBZ、0.34 mm h-1、0.36 mm。MRR反演的I值偏大,而粒子直径偏小,分析了产生偏差的主要原因,除了探测系统偏差、分析方法本身存在的偏差外,上升气流导致的偏差不容忽视。这些结果初步验证了MRR观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。  (3)利用MRR2015年全年的降水观测资料,对降水过程中微物理量进行分析,讨论了山东济南不同云系降水微物理量的变化特征。  在近地面降水中,层状云降水主要集中在雨强小于4mm h-1的降水,而对流云降水样本数主要集中在0.02~0.2和1~8 mm h-1两档雨强上。层状云降水的最大累积降水量在1~2 mm h-1的雨强上,而对流云在4~8 mm h-1和>32 mm h-1两档雨强的累积降水量有极大值,累积降水量最大值出现在雨强的最大档上。层状云降水在小液滴和大液滴处的数浓度都相对对流云降水小,2015年全年,对流云降水、层状云降水、积层混合云降水的D0均值分别为0.99 mm、0.64 mm、0.73 mm。在垂直分布上:对流云降水样本数在各层高度上主要集中0.2~2.0、2.0~20 mm h-1两档雨强上,层状云降水样本数主要集中在0.2-2.0 mm h-1雨强上。雨强在0.02~0.2 mmh-1时,对流云降水在高层(1000m及以上)的大粒子数量明显大于层状云降水,随着雨强的增大,这种趋势的高度逐渐向下,当雨强在2.0~20 mm h-1时,对流云降水和层状云降水数浓度差值的最大值中心到了600m高度以下。层状云降水中的粒子尺度较集中,D0平均在1mm左右,随高度的变化不大。对流云降水在雨强大于20 mm h-1时,垂直气流对MRR反演的粒子直径的影响很大。
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